Convectiestromen in de wetenschap, wat ze zijn en hoe ze werken

Convectiestromen zijn stromende vloeistof die beweegt omdat er een temperatuur- of dichtheidsverschil is in het materiaal.

Omdat deeltjes in een vaste stof op hun plaats worden gefixeerd, worden convectiestromen alleen waargenomen in gassen en vloeistoffen. Een temperatuurverschil leidt tot een energieoverdracht van een gebied met hogere energie naar een gebied met lagere energie.

Convectie is een warmteoverdrachtsproces. Wanneer stromen worden geproduceerd, wordt materie van de ene locatie naar de andere verplaatst. Dus dit is ook een massaoverdrachtsproces.

Convectie die van nature voorkomt, wordt genoemd Natuurlijke convectie of vrije convectie. Als een vloeistof wordt gecirculeerd met behulp van een ventilator of een pomp, wordt deze geroepen geforceerde convectie. De cel gevormd door convectiestromen wordt a genoemd convectiecel of Bénard-cel.

Waarom ze vormen

Een temperatuurverschil zorgt ervoor dat deeltjes bewegen, waardoor een stroom ontstaat. In gassen en plasma leidt een temperatuurverschil ook tot gebieden met hogere en lagere dichtheid, waar atomen en moleculen bewegen om gebieden met lage druk te vullen.

Kortom, hete vloeistoffen stijgen terwijl koude vloeistoffen zinken. Tenzij een energiebron aanwezig is (bijvoorbeeld zonlicht, warmte), gaan convectiestromen alleen door totdat een uniforme temperatuur is bereikt.

Wetenschappers analyseren de krachten die op een vloeistof werken om convectie te categoriseren en te begrijpen. Deze krachten kunnen omvatten:

• Zwaartekracht
• Oppervlaktespanning
• Concentratieverschillen
• Elektromagnetische velden
• Vibrations
• Bindingsvorming tussen moleculen

Convectiestromen kunnen worden gemodelleerd en beschreven met behulp van convectie-diffusievergelijkingen, die scalaire transportvergelijkingen zijn.

Voorbeelden van convectiestromen en energieschaal

• U kunt convectiestromen waarnemen in kokend water in een pot. Voeg eenvoudig een paar erwten of stukjes papier toe om de huidige stroom te volgen. De warmtebron aan de onderkant van de pan verwarmt het water, waardoor het meer energie krijgt en de moleculen sneller bewegen. De temperatuurverandering heeft ook invloed op de dichtheid van het water. Terwijl water naar het oppervlak stijgt, heeft een deel ervan voldoende energie om als damp te ontsnappen. Verdamping koelt het oppervlak voldoende om sommige moleculen weer naar de bodem van de pan te laten zinken.
• Een eenvoudig voorbeeld van convectiestromen is warme lucht die naar het plafond of de zolder van een huis stijgt. Warme lucht is minder dicht dan koele lucht, dus stijgt deze op.
• Wind is een voorbeeld van een convectiestroom. Zonlicht of gereflecteerd licht straalt warmte uit, waardoor een temperatuurverschil ontstaat waardoor de lucht beweegt. Schaduwrijke of vochtige gebieden zijn koeler of kunnen warmte absorberen, wat bijdraagt ​​aan het effect. Convectiestromen maken deel uit van wat de wereldwijde circulatie van de atmosfeer van de aarde drijft.
• Verbranding genereert convectiestromen. De uitzondering is dat verbranding in een omgeving zonder zwaartekracht drijfvermogen mist, zodat hete gassen niet van nature stijgen, waardoor verse zuurstof de vlam kan voeden. De minimale convectie in nul-g veroorzaakt dat veel vlammen zichzelf smoren in hun eigen verbrandingsproducten.
• Atmosferische en oceanische circulatie zijn respectievelijk de grootschalige beweging van lucht en water (de hydrosfeer). De twee processen werken in combinatie met elkaar. Convectiestromen in de lucht en zee leiden tot weer.
• Magma in de aardmantel beweegt in convectiestromen. De hete kern verwarmt het materiaal erboven, waardoor het naar de korst stijgt, waar het afkoelt. De warmte komt van de intense druk op de rots, gecombineerd met de energie die vrijkomt door natuurlijk radioactief verval van elementen. Het magma kan niet blijven stijgen, dus beweegt het horizontaal en zakt terug naar beneden.
• Het stapeleffect of schoorsteeneffect beschrijft convectiestromen die gassen door schoorstenen of rookkanalen verplaatsen. Het drijfvermogen van lucht binnen en buiten een gebouw is altijd anders vanwege temperatuur- en vochtigheidsverschillen. Als u de hoogte van een gebouw of stapel verhoogt, wordt het effect groter. Dit is het principe waarop koeltorens zijn gebaseerd.
• Convectiestromen zijn duidelijk in de zon. De korrels in de fotosfeer van de zon zijn de toppen van convectiecellen. In het geval van de zon en andere sterren is de vloeistof plasma in plaats van een vloeistof of gas.